[發明專利]Pluronic嵌段共聚物基水凝膠電解質及其應用

有效

• 申請號: 201611224300.3
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106785029B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 崔光磊;趙井文;張建軍;董杉木
• 申請（專利權）人: 中國科學院青島生物能源與過程研究所
• 主分類號: H01M10/0565
• 分類號: H01M10/0565;H01M10/058;H01M10/36
• 代理公司: 21002 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 李穎;周秀梅

本發明涉及熱可逆凝膠化水凝膠電解質，具體的說是一種Pluronic嵌段共聚物基水凝膠電解質及其構成的水系二次鋅電池及其制備和應用。水凝膠電解質為Pluronic嵌段共聚物、金屬鹽、水；其中，金屬鹽在水凝膠電解質中的質量分數為0.1?90％；Pluronic嵌段共聚物在水凝膠電解質中的質量分數為0.5?80％；水在水凝膠電解質中的質量分數為0.5?80％。本發明的Pluronic嵌段共聚物基水凝膠電解質制備工藝簡易，離子電導率高，可實現鋅電極的可逆溶出/沉積反應以及鋰電池和鈉電池正極材料的離子嵌入/脫出；與此同時該水凝膠電解質具有熱可逆凝膠化特性，通過簡單的溫度調節來控制溶膠態和凝膠態之間的可逆轉換，以此實現與電極材料之間的充分接觸，提高界面穩定性和長循環性能。

技術領域

本發明涉及熱可逆凝膠化水凝膠電解質，具體的說是一種Pluronic嵌段共聚物基水凝膠電解質及其構成的水系二次鋅電池及其制備和應用。

背景技術

鋰離子電池已經在筆記本電腦、移動電話和攝像機等便攜式器件的應用中取得了巨大的成功，并且有望進一步應用于電動車及大型電網儲能系統。然而，其成本較高，安全性差及對環境影響的關鍵問題不容忽視。基于安全性及材料資源等因素，相應的替代電池體系也層出不窮。同時，利用水系電解質替代傳統有機電解質可獲得更高的離子導電性及安全性，電池體系更加環保且操作條件更加簡單。針對上述考慮，水系鋅電池相比于其他電池體系具有更大的優勢。鋅基電池是一類基于鋅元素為負極活性材料的電池體系，自Leclanche電池和Daniel電池的發明以來一直在人類社會儲能器件中占有一席之地。雖然相比于金屬鋰(-3.04V)，鋅的還原電位只有-0.76V且比容量為820mAh/g，但是鋅基電池擁有許多專屬的優點：(1)鋅的資源豐富，價格低廉；(2)鋅元素無毒，穩定，生物親和性高；(3)鋅金屬及電極可以穩定存在于氧氣和潮濕環境中，操作成本低，且可使用水系電解質，使用安全性頗高；(4)鋅基電池器件具有高的能量密度。由于成本和資源的優勢，對于鋅基電池的研究往往集中在Zn-air，Zn-Ni，Zn-Ag電池等，尤其是應用廣泛的Zn/MnO₂的電池體系。鑒于電池科學正向著更加綠色環保及可持續的方向發展，近年來對于中性(弱酸性)電解質體系的鋅基電池的關注度不斷增加。但是，大多數的鋅電池也存在明顯的缺陷：(1)循環壽命差，水系體系的容量衰減嚴重且內部的微短路現象明顯；(2)水系電解液不穩定，流動性大，電池器件需要密封；(3)鋅電極在水系電解液熱力學不穩定，副反應較多。

固態電解質可以有效地解決電池電解液流動性大和不穩定的問題。基于不同聚合物電解質(PEO-ZnBr₂/ZnCl₂、PEO-KOH、PVA-proton/iodide)的一次固態鋅電池得到了較多的關注。然而，兼顧于鋅電極可逆的沉積/溶解反應及Zn²⁺有效傳輸的固態聚合物電解質非常少見，并且相應的離子導電性較低。凝膠聚合物電解質是一類將聚合物、金屬鹽和一定量的溶劑進行混合，具有液體級別離子導電性，同時保持固態體系尺度穩定的電解質體系。低分子量且具有高介電常數的溶劑一般被認為是充當塑化劑的作用。當水作為塑化劑時，形成的凝膠態的電解質往往被稱為“水凝膠聚合物電解質”。水凝膠三維網絡的形成主要依賴于聚合物鏈之間的化學交聯或者物理相互作用，同時通過表面張力將水分子束縛于聚合物網絡中。基于PEO、PAA和PVA的水凝膠電解質體系由來已久，尤其在水系超級電容器中得到了廣泛的研究。但是，目前的水凝膠電解質體系仍然存在問題：(1)由于凝膠化的過程中，電解質體系的粘度不斷上升，離子遷移往往受到限制，電導率較低；(2)由于粘度較大，水凝膠電解質與電極之間不能良好地接觸，浸潤性較差，造成容量的損失。